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等離子體由大量離子和自由電子組成,整體上表現為近似電中性,與物質的三態一樣,是物質存在的一種聚集態。從宏觀上看,等離子體是一種導電的流體,由等離子體的生成過程可知,當給氣體施加顯著的高溫或高能量時,中性的物質就會被離解成離子、電子和自由基。另外,等離子體本身具有變成為電中性的強烈傾向,等離子體中的電荷分離需要由等離子體本身的內能(熱能)或外加電場來維持。按照壓強、電極形狀、外加電壓、放電頻率的不同,氣體放電可以分為不同形式,主要有輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電等。其中輝光放電是等離子體放電中廣泛應用的一種放電狀態,也是最為常見的放電形式。

大氣壓輝光放電

大氣壓下的輝光放電摒棄了真空系統,可在大氣壓下產生均勻穩定的低溫等離子體,滿足了在線連續生產需求。同時由于其具有較低的溫度,相對較高的活性粒子濃度和更高的化學反應速率,成為目前等離子體研究的熱點方向之一。大氣壓輝光放電的主要形式包括大氣壓脈沖放電、大氣壓介質阻擋輝光放電(DBD)和大氣壓射頻(RF)輝光放電等。

大氣壓低溫等離子體中的主要活性成分

在低溫等離子體形成過程中,涉及到許多的物理和化學反應,使得等離子體產生各種活性物質,包括電子、正負離子、紫外線、化學活性物質等。這些活性成分能夠在材料的分子層面上對表面產生作用。常壓低溫等離子體是一種總體為電中性的導電流體,它的成分組成十分復雜,除了紫外線、高能粒子和電場之外,還存在很多豐富的活性成分,如圖1-1所示。利用不同成分相應的特性,可以完成其他方法不能或難以完成的改性任務。

圖1-1 大氣壓低溫等離子體主要成分

大氣壓等離子體處理

大氣壓下等離子體放電裝置不需要抽取真空,適合連續生產,在等離子體處理材料過程中,放電氣體將產生帶電粒子(電子和離子)、激發態粒子(自由基,亞穩態分子)和光子。通過這些活性粒子在表面產生的物理和化學反應,起到表面清潔、表面刻蝕、表面活化等作用。基本作用過程如圖1.2所示,等離子體處理材料時,等離子體會與材料表面相互作用發生兩種反應:一是刻蝕作用,高能粒子在材料的表面發生反應;二是交聯作用,粒子與材料表面產生碰撞,會在材料表面產生自由基,然后引入羧基等極性基團。

圖1-2 等離子體處理表面改性的作用過程